DE19962918A1

DE19962918A1 - Non-destructive infra-red test process for welded, coated and/or laminar material work-piece continual operation with rapidly changing materials

Info

Publication number: DE19962918A1
Application number: DE19962918A
Authority: DE
Inventors: Christian Florin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2000-06-29

Abstract

The registered signal is evaluated by data processing on the basis of the time lapse since termination of the modulation, a frequency and/or amplitude of the reflected and/or emitted light, and one area dimension relating to the surface under test. The sensor is especially a lead-zinc-selenite element and/or an si-element in the spectral range between 0.3 and 14 microns. In non-destructive non-contact process and assembly test the surface condition of a welded, coated and/or laminar material work-piece, a pre-determined part of the surface is exposed to a pulse-modulated infra-red beam. After termination of the pulse modulation, the surface emission and reflection properties of the surface are registered and compensated as required, by means of the reflected, absorbed and/or emitted light for a pre-determined period.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zer störungsfreien, berührungslosen Messung einer Werkstoff oberfläche, insbesondere einer beschichteten Oberfläche oder einer Oberfläche von Verbundwerkstoffen. Ferner be trifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen einer derartigen zerstörungsfreien, berührungs losen Messung, welche insbesondere zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignet ist.The present invention relates to a method for zer interference-free, contactless measurement of a material surface, especially a coated surface or a surface of composite materials. Furthermore be the present invention relates to an apparatus for Perform such a non-destructive, touch loose measurement, which is particularly useful for performing a such a method is suitable.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mit Hilfe thermo grafischer Methoden, etwa der sog. Infrarotanalyse, die Oberfläche von Werkstoffen fast beliebiger Art auf Poren, Einflüsse, Risse oder Strukturfehler zu prüfen. In beson ders vorteilhafter Weise ermöglichen es derartige, bekannte Verfahren, dass ohne die Notwendigkeit der physischen Mani pulation der betreffenden Oberfläche üblicherweise zuver lässige und aussagekräftige Informationen gewonnen werden können, die sich zudem üblicherweise gut für eine daten technische Aufbereitung und Weiterverarbeitung eignen.It is known from the prior art to use thermo graphic methods, such as the so-called infrared analysis, the Surface of materials of almost any kind on pores, Check influences, cracks or structural defects. In particular ders advantageous way enable such known Procedure that without the need for physical mani pulation of the surface in question usually verver casual and meaningful information can be obtained can, which are also usually good for a data technical preparation and further processing.

Allerdings weisen bekannte Infrarot-Prüftechnologien zur berührungslosen Untersuchung von Oberflächen zahlreiche Nachteile auf, die den Nutzen dieser Technologie insbeson dere für großflächige Prüfobjekte, für kontinuierliche Prüfprozesse, etwa im Zusammenhang mit kontinuierlichen Fertigungsprozessen, oder eine Flexibilität im Einsatz grundsätzlich mindern. So besteht ein Hauptproblem bekann ter, berührungsloser Infrarot-Messtechnologie darin, dass eine so erfasste Oberflächentemperatur eines Objektes - gemessen etwa mit sog. Thermopile-Sensoren od. dgl. - stets ein Relativwert ist und darüber hinaus stark von den Ober flächeneigenschaften, insbesondere dem Emissionswert oder Absorptionswert bzw. -koeffizienten, abhängig ist. Da zudem diese Größe das tatsächliche Messergebnis stark beein flusst, erweisen sich aus dem Stand der Technik bekannte Technologien, wie etwa die Voreinstellung bzw. Vorwahl ei nes einem Prüfobjekt zuzuordnenden Absorptions- bzw. Emis sionskoeffizienten, für nachteilig und insbesondere einer kontinuierlichen, für einen Dauerprozess eingerichteten Messstrecke nicht gewachsen.However, known infrared test technologies have been used non-contact examination of surfaces numerous Disadvantages on the benefits of this technology in particular for large test objects, for continuous Test processes, for example in connection with continuous Manufacturing processes, or flexibility in use generally reduce. So there is a major problem ter, contactless infrared measuring technology in that a surface temperature of an object recorded in this way - measured with so-called thermopile sensors or the like - always is a relative value and also strong from the super surface properties, in particular the emission value or Absorption value or coefficient, is dependent. Since also this size strongly influences the actual measurement result flows, prove to be known from the prior art Technologies such as presetting or preselection absorption or emission to be assigned to a test object tion coefficients, for disadvantageous and in particular one continuous, set up for a continuous process Measuring section not grown.

Darüber hinaus sind gängige Infrarot-Prüfgeräte üblicher weise voluminös, aufwendig im konstruktiven und gerätetech nischen Aufbau sowie unflexibel in Einrichtung und Handha bung.In addition, common infrared testers are more common wise voluminous, complex in terms of construction and equipment nical structure and inflexible in furnishings and handling exercise.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver fahren zur zerstörungsfreien, berührungslosen Messung einer Werkstoffoberfläche sowie eine hierfür geeignete Vorrich tung zu schaffen, die die Nachteile aus dem Stand der Tech nik überwindet und insbesondere für kontinuierliche Prüf prozesse und/oder den Einsatz mit häufig wechselnden Ober flächen und jeweils zugehörigen, wechselnden Absorptions (Emissions-)faktoren geeignet ist.The object of the present invention is therefore a Ver drive for non-destructive, non-contact measurement of a Material surface and a suitable Vorrich to create the disadvantages from the prior art nik overcomes and especially for continuous testing processes and / or use with frequently changing waiters surfaces and each associated, changing absorption (Emission) factors is suitable.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 sowie die Verwendung nach dem Patentan spruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The task is accomplished through the procedure with the characteristics of Claim 1, the device with the features of Claim 13 and the use according to the patent Proverb 21 solved. Advantageous further training of the Erfin tion are described in the subclaims.

So liegt es im Rahmen der Erfindung, das berührungslose Messen bzw. Erfassen der reflektierten und/oder emittierten Strahlung so zu gestalten, dass mit diesem Vorgang gleich zeitig eine Kompensation der das Messergebnis beeinflussen den Oberflächeneigenschaften der Werkstoffoberfläche, näm lich insbesondere der Absorptions- (Emissions-) eigenschaf ten, erfolgen kann. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es dann, etwa durch rechnergestützte Steuerung und Auswer tung des Messprozesses, einen kontinuierlichen, fließenden Prüfbetrieb als Dauerbetrieb mit einer relativ zu einer notwendigen Messapparatur beweglichen Werkstoffoberfläche durchzuführen, deren Absorptionseigenschaften sich während des Betriebes ändern können, ohne dass hier zusätzliche ma nuelle Eingriffe oder Änderungen zur Anpassung an einen je weils veränderten Absorptions- (Emissions-)koeffizienten notwendig sind.So it is within the scope of the invention, the non-contact Measure or record the reflected and / or emitted To design radiation so that this process is the same compensate for the measurement result the surface properties of the material surface, näm Lich especially the absorption (emission) property ten, can be done. Such a configuration enables then, for example through computer-aided control and evaluation measurement process, a continuous, flowing Test operation as continuous operation with one relative to one necessary measuring equipment movable material surface perform, the absorption properties during of the company can change without additional ma new interventions or changes to adapt to each because changed absorption (emission) coefficients are necessary.

So liegt es insbesondere auch im Rahmen der Erfindung, vor teilhaft die Abtastung bzw. Erzeugung des Flächensignals als simultanes Ganzbild, nämlich mit einer i. w. gleichzei tig erfassten Mehrzahl von Signalen eines Sensorarrays, durchzuführen, wobei jeder Einzelsensor dann einen entspre chenden Teilabschnitt des beobachteten Flächenbereichs misst und so abschnitts- bzw. pixelweise zur Erzeugung des Gesamtbildes beiträgt. Besonders vorteilhaft ist für eine solche Bilderfassung, im Gegensatz etwa zu aus dem Stand der Technik bekannten Scanner-Vorrichtungen, das Vorsehen beweglicher Elemente, wie etwa optischer Ablenkelemente, unnötig, so dass nicht nur die Erfassungsgeschwindigkeit erhöht, sondern auch der mechanische Aufwand vermindert werden kann. Darüber hinaus liegt es im Rahmen der Erfin dung, jeweilige Teilabschnitte des Ganzbildes sequentiell über den vorbestimmten Zeitraum zu erfassen und dabei eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Einzelwerte zu generieren. So hat es sich nämlich im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft und charakteristisch für zu messende Oberflä cheneigenschaften des Werkstoffes herausgestellt, wie - weiter bevorzugt spektral unterschiedlich - der auf einen jeweiligen Teilabschnitt des Flächenbereichs bezogene Wer teverlauf der Signalamplitude über die Zeit ist.So it is particularly within the scope of the invention partial sampling or generation of the area signal as a simultaneous full image, namely with an i. w. at the same time continuously detected plurality of signals from a sensor array, perform, with each individual sensor then corresponds to one corresponding section of the observed area measures and so section by pixel to generate the Overall picture contributes. Is particularly advantageous for one such image capture, in contrast to from a standing position scanner devices known in the art, the provision movable elements, such as optical deflection elements, unnecessary, so not only the acquisition speed increases, but also reduces the mechanical effort can be. It is also part of the Erfin tion, respective sections of the whole picture sequentially to capture over the predetermined period and thereby a Generate a plurality of successive individual values. So it has namely in the context of the invention as special advantageous and characteristic of the surface to be measured characteristics of the material, such as - more preferably spectrally different - that on one who subscribed to the respective subsection of the area is the course of the signal amplitude over time.

Um im Rahmen der vorliegenden Erfindung die gewünschten Er gebnisse zu erzielen, hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, eine Abtastfrequenz der berührungslosen Er fassung bevorzugt in den Kilohertz-Bereich zu setzen, wo durch dann nicht nur - gerade auch bei schnell abkühlenden Oberflächen - eine hinreichende Datendichte vorhanden ist, sondern auch gerade sich bewegende Oberflächen mit einer hinreichenden Auflösung abgetastet werden können. Entspre chend der Abtastfrequenz ist dann die Modulations- bzw. Im pulsdauer sowie die zugehörige Periodendauer der abge strahlten (Sende-) Infrarotstrahlung eingestellt, wobei, bevorzugt, die Strahlungsleistung zumindest im zweistelli gen Wattbereich pro 1/10 mm² Flächeneinheit liegt.In order to achieve the desired results within the scope of the present invention, it has been found to be particularly preferred to preferably set a sampling frequency of the contactless detection in the kilohertz range, where not only then - especially with rapidly cooling surfaces sufficient data density is available, but even moving surfaces can be scanned with sufficient resolution. Corresponding to the sampling frequency, the modulation or pulse duration and the associated period of the emitted (transmitted) infrared radiation are then set, with, preferably, the radiation power being at least in the two-digit watt range per 1/10 mm ² area unit.

Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der Erfindung vorgese hen, den Absorptionskoeffizienten mittels Interferenzbil dung zu messen, indem nämlich ein von der zu messenden Werkstoffoberfläche reflektiertes bzw. emittiertes Signal mit einem von einer schwarzen Fläche reflektierten Refe renzwert überlagert wird, und durch eine so entstehende ei ner mittleren Temperatur am Bearbeitungspunkt entsprechen den Repräsentierung eine zuverlässige, aktuelle Absorpti ons- bzw. Emissionsgradfeststellung folgen kann.It is particularly preferred within the scope of the invention hen, the absorption coefficient by means of interference measurement by measuring one of those to be measured Material surface reflected or emitted signal with a reef reflected from a black surface limit value is superimposed, and by such an egg correspond to the mean temperature at the processing point the representation a reliable, current Absorpti ons or emissivity determination can follow.

Besonders bevorzugt ist es zudem im Rahmen der Erfindung, die Messung der emittierten und reflektierten Strahlung am Messobjekt durch selektive Betrachtung einzelner Spek trallinien und -bereich zu verfeinern. Zu diesem Zweck wird am Messdetektor bevorzugt eine Mehrzahl verschiedener op tisch wirksamer Filter vorgesehen, welche, rechnergesteuert oder manuell einstellbar, selektiv einzelne Spektral bereiche des reflektierten Strahlungssignals ausblendet, um so, etwa hinsichtlich einzelner, in der zu untersuchenden Oberfläche enthaltender chemischer Elemente, besonders charakteristische Verläufe der verbleibenden (Einzel-) Spektren überlagerungsfrei aufzufangen.It is also particularly preferred in the context of the invention the measurement of the emitted and reflected radiation on Measurement object by selective observation of individual spectra refine trall lines and area. For this purpose on the measuring detector preferably a plurality of different op table effective filter provided, which, computer-controlled or manually adjustable, selectively individual spectral hides areas of the reflected radiation signal so, for example with regard to individual, in the to be examined Surface containing chemical elements, especially characteristic courses of the remaining (single) Collect spectra without overlap.

Hinsichtlich der benötigten Hardware kommt eine besondere Bedeutung der bevorzugt als Sensorarray ausgestalteten De tektoreinheit zu, die zum Erzeugen der hohen Anzahl simul taner Signale der bevorzugt gewählten hohen Abtastrate mit entsprechender Vorverstärker- und Auswertelektronik verbun den sein muss und weiter bevorzugt mit einer Kühleinheit versehen ist. Einzeldetektoren auf Basiselement Blei, Zink und Selenit haben sich für die Infrarotdetektion im be vorzugt gewählten Spektralbereich zwischen 3 und 14 Mikro metern als besonders empfindlich und geeignet erwiesen.There is a special one with regard to the required hardware Significance of the De preferably configured as a sensor array tector unit to generate the large number of simul taner signals of the preferred selected high sampling rate corresponding pre-amplifier and evaluation electronics verbun which must be and more preferably with a cooling unit is provided. Single detectors based on lead, zinc and selenite have been used for infrared detection in the preferred spectral range between 3 and 14 micro meters proved to be particularly sensitive and suitable.

Als Strahlungsquelle bietet sich aufgrund der realisierba ren hohen Leistungsdichte bei einfacher Modulierbarkeit ein Laser als Lichtquelle an, der geeignet auf den vorgesehenen Erfassungsbereich eingestelltes monochromatisches Licht ausstrahlt. Zur Erzielung größerer spektraler Breiten des Sendesignals bietet es sich zudem an, eine möglichst ideal rechteckförmige Impulsform mit einem entsprechend breiten Oberwellenspektrum einzustellen, so dass auf diesem Wege entsprechend viele Interaktionseffekte mit den die Oberflä che bildenden Materialatomen und -molekülen möglich sind.As a radiation source, there is the possibility of realizing high power density with easy modulation Laser as a light source that is suitable on the intended Detection range set monochromatic light broadcasts. To achieve larger spectral widths of the It also lends itself to transmit signals, one as ideal as possible rectangular pulse shape with a correspondingly wide Adjust harmonic spectrum so that this way correspondingly many interaction effects with the surface che forming material atoms and molecules are possible.

So wird etwa bei der Dickenmessung einer zu prüfenden, auf gebrachten Schicht sowohl die Transmission der Schicht, also auch die Reflexion am unterliegenden Träger ausge nutzt; eine geometrische Differenz zwischen einem Referenzimpuls und dem Reflexionsimpuls ermöglicht den Rückschluss auf die Schichtdicke. Da nämlich durch Grenz schichten generell das einfallende Energiesignal teilweise reflektiert wird, ändert sich Phase- und/oder Amplitude des reflektierten Energieimpulses. Zur Feuchtemessung wird bei spielsweise der Effekt ausgenutzt, dass Wassermoleküle im Infrarotbereich zum Teil ausgeprägte Absorptionseigenschaf ten aufweisen, die sich charakteristisch auf das reflek tierte bzw. emittierte Signal von der Probenoberfläche aus wirken.For example, when measuring the thickness, one to be checked is opened brought layer both the transmission of the layer, thus also the reflection on the underlying beam uses; a geometric difference between one Reference pulse and the reflection pulse enables the Conclusion on the layer thickness. Because by border generally partially layer the incident energy signal is reflected, phase and / or amplitude of the changes reflected energy pulse. The moisture measurement is at for example, the effect that water molecules in the Infrared range, partly pronounced absorption properties have characteristics that are characteristic of the reflec emitted or emitted signal from the sample surface Act.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird es damit er möglicht, zahlreiche Diagnose- und Prüfvorgänge an einer Vielzahl möglicher Oberflächen, Oberflächenbeschichtungen oder Festkörpern vorzunehmen, etwa
The procedure according to the invention makes it possible for him to carry out numerous diagnostic and test procedures on a large number of possible surfaces, surface coatings or solids, for example

- Check the liability for coatings of any kind;
- Detection and evaluation of the surfaces error quality;
- Detection of defects (errors) inside ren of components or layers;
- Detection of solution phenomena between two layers;
- Determination of an orientation embedded fibers or crystal structures;
- measurement of a layer thickness;
- Detection of wear and tear signs of wear;
- detection of material inhomogeneities, especially over the area;
- Detect voids inside Components;
- Measurement of the moisture content inside ren of a component;
- Measurement of the heat or temperature conductivity ability;
- Detection of various impurities ner kind on or in a surface.
- Detection and measurement of oxide components.

Im Ergebnis erhält der Benutzer ein universell und flexibel für verschiedene Messanforderungen geeignetes System, wel ches insbesondere auch das neue und prozesstechnisch bei der Überprüfung nicht unproblematische Gebiet der konti nuierlichen Qualitäts-, Güte- und Fehlermessung auf ein fache und effiziente Weise erschließt. As a result, the user gets a universal and flexible system suitable for various measurement requirements, wel ches especially the new and process engineering checking not unproblematic area of the conti nuary quality, quality and error measurement on one opens up in a simple and efficient way.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen inFurther advantages, features and details of the invention result from the following description more preferred Exemplary embodiments and with reference to the drawings; this show in

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild we sentlicher Funktionseinheiten der er findungsgemäßen Vorrichtung zur zerstö rungsfreien, berührungslosen Oberflä chenmessung gemäß einer ersten, bevor zugten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 1 is a schematic block diagram of essential functional units of the inventive device for nondestructive, non-contact surface measurement according to a first, preferred embodiment of the invention;

Fig. 2 ein typisches, dreidimensionales Si gnaldiagramm mit den zeitlichen Verlauf verschiedener Spektrallinien für benachbarte Messpunkte; Fig. 2 shows a typical three-dimensional Si gnaldiagramm with the time course of various spectral lines for adjacent measuring points;

Fig. 3 ein Signal-Impulsdiagramm mit der zeit lichen Abfolge zwischen Sendeimpuls und Abtastdauer sowie Fig. 3 is a signal-pulse diagram with the temporal sequence between transmit pulse and sampling time and

Fig. 4 eine Darstellung analog Fig. 3 mit zu sätzlicher, geschalteter Filterperiode. Fig. 4 is an illustration analogous to Fig. 3 with additional, switched filter period.

Die Darstellung in Fig. 1 verdeutlicht schematisch die we sentlichen Funktionskomponenten der hier dargestellten, er sten Ausführungsform. Der linke, umrandete Bereich 10 be zeichnet den um einen Laser 12 als Energiequelle gebildete Strahlungs- bzw. Sendeseite, die, getriggert und synchroni siert durch eine mit einem (nicht gezeigten) Computer ver bundene Steuer- und Synchronisationseinheit 14, den Ener giestrahl 16 des Lasers 12 über eine Anordnung aus halb bzw. undurchlässigen Spiegeln 18 und eine zugeordnete Optik 20 auf die Oberfläche 22 des Messobjektes lenkt. Ein an den halbdurchlässigen Spiegeln 18 ausgekoppelter Referenzstrahl wird zudem über eine weitere Optik als Referenzoptik 24 auf einen schwarzen Körper 26 gelenkt, um durch Interferenz zwischen dem von der Objektoberfläche 22 und dem vom schwarzen Körper 26 reflektierten Strahl den Absorptions wert (Absorptionskoeffizienten) des Messobjektes 22 aktuell festzustellen.The illustration in FIG. 1 schematically illustrates the essential functional components of the embodiment shown here, it is the first embodiment. The left, framed area 10 denotes the radiation or transmission side formed by a laser 12 as an energy source, which, triggered and synchronized by a control and synchronization unit 14 connected to a computer (not shown), the energy beam 16 Laser 12 directs an arrangement of semi or opaque mirrors 18 and an associated optics 20 on the surface 22 of the measurement object. A reference beam coupled out at the semitransparent mirrors 18 is also directed via a further optical system as a reference optical system 24 onto a black body 26 in order to obtain the absorption value (absorption coefficient) of the measurement object 22 by interference between the beam reflected by the object surface 22 and the black body 26 currently determined.

Dies geschieht, wie auch die eigentliche Signalerfassung, innerhalb des in der Fig. 1 gezeigten, rechten umrandeten Bereichs 28, welcher die Empfangsseite symbolisiert.Like the actual signal detection, this takes place within the right-hand bordered area 28 shown in FIG. 1, which symbolizes the receiving side.

Hier ist der Materialoberfläche des Untersuchungsobjektes wiederum eine Abtast- bzw. Empfangsoptik 30 zugeordnet, in deren Strahlengang dann eine Infrarot-Kamera-Einheit 32, realisiert als Array 31 aus 128 × 96 Einzelsensoren, den von der Optik 30 abgebildeten Oberflächenbereich 22 abta stet. Der Kamera-Einheit 32 ist eine mittels einer Kühl flüssigkeit betriebene Kühleinheit 34 zugeordnet. Darüber hinaus ist für die Infrarot-Empfangskamera 32 eine schema tisch dargestellte, durch die Steuereinheit 14 separat an steuerbare Filtereinheit 36 vorgesehen, die eine Mehrzahl spektral abgestufter Filter als Reaktion auf ein entspre chendes Steuersignal in den Strahlengang einführen und so selektive Spektralbereiche bzw. Spektrallinien, die von der Kamera-Einheit 32 aufgenommen werden, ein- bzw. ausblenden kann.Here, the material surface of the examination object is again assigned a scanning or receiving optics 30 , in the beam path of which an infrared camera unit 32 , realized as an array 31 made of 128 × 96 individual sensors, scans the surface area 22 imaged by the optics 30 . The camera unit 32 is assigned a cooling unit 34 operated by means of a cooling liquid. In addition, for the infrared reception camera 32, a schematically represented, separately controllable by the control unit 14 to the controllable filter unit 36 is provided, which introduce a plurality of spectrally graded filters in response to a corresponding control signal into the beam path and thus selective spectral ranges or spectral lines, which are recorded by the camera unit 32 , can show or hide.

Das Sensor-Array ist als PbsnSe-Hybrid-Sensor Array reali siert und weist eine spektrale Empfindlichkeit im Bereich zwischen etwa 3 und 14 Mikrometern (bevorzugt 6 und 14 Mi krometern) auf. Die mittels der Optik auf das Sensorfeld abgebildete Werkstoffoberfläche hängt von der Fokussierung bzw. der Brennweite der eingesetzten Optik ab; typisch ist, dass eine Fläche von beispielsweise 1 cm × 1 cm auf die Sensorfläche abgebildet wird. Jeder Bildpunkt des Arrays kann einzeln angesteuert werden, wobei auf diese Weise ins besondere eine Anpassung der Abtastfrequenz möglich ist:
Eine hohe Abtastfrequenz von 16 KHz ist beispielsweise mög lich, wenn lediglich ein Feld von 16 × 16 Bildelementen aus dem Gesamtarray abgetastet und nachfolgend in Echtzeit aus gewertet wird (die Abtastfrequenz liegt also im Bereich zwischen etwa 1 Hz und 16 KHz, wobei die Sensoreinheit Tem peraturen im Bereich zwischen etwa -20°C und etwa 2000°C zuverlässlich auflöst). Typischerweise wird ein solches Signal dann mit einer Auflösung von 14 Bit digitalisiert.The sensor array is implemented as a PbsnSe hybrid sensor array and has a spectral sensitivity in the range between approximately 3 and 14 micrometers (preferably 6 and 14 micrometers). The material surface imaged on the sensor field by means of the optics depends on the focusing or the focal length of the optics used; it is typical that an area of, for example, 1 cm × 1 cm is imaged on the sensor area. Each pixel of the array can be controlled individually, whereby in particular an adjustment of the sampling frequency is possible:
A high sampling frequency of 16 KHz is possible, for example, if only a field of 16 × 16 picture elements is scanned from the overall array and subsequently evaluated in real time (the sampling frequency is therefore in the range between approximately 1 Hz and 16 KHz, the sensor unit Tem temperatures in the range between about -20 ° C and about 2000 ° C reliably resolves). Such a signal is then typically digitized with a resolution of 14 bits.

Geeignet ist dem Sensor für Pufferzwecke eine digitale Da tenspeichereinheit (nicht gezeigt) zugeordnet. Die Trigge rung von Laser 12 bzw. Array 31 erfolgt durch die Steuer einheit 14 bzw. den zugeordneten Computer. Hier kann insbe sondere dann auch die Prozesssteuerung des gesamten Messprozesses bzw. die Synchronisation mit dem (Online) zu überwachenden Produktionsprozess erfolgen.A digital data storage unit (not shown) is suitably assigned to the sensor for buffer purposes. The triggering of laser 12 or array 31 is carried out by control unit 14 or the associated computer. Here, in particular, the process control of the entire measurement process or the synchronization with the (online) production process to be monitored can also take place.

Im Zusammenhang mit der Fig. 2 wird ein typischer Messwer teverlauf erläutert, wie er als hochdynamisch erfasste, in stationäre Reaktion auf einen Impuls der Lasereinheit 12 und ein nachfolgendes Abtasten einer Mehrzahl von Empfangs werten in (sehr kleinem) zeitlichem Abstand durch die Ka mera-Einheit, spektral unterschieden, aufgenommen werden konnte. In der Fig. 2 gibt dabei die Vertikalachse die Signalamplitude A des eine jeweilige (durch Filter einge stellten) Spektrallinie gemäß Ausgangssignal der Sensorein heit an, während in horizontaler Richtung die Zeitachse t verläuft. Verschiedene Spektrallinien für benachbarte Messpunkte sind in die Bildebene hinein aufgetragen.In connection with FIG. 2, a typical course of measured values is explained, as it is recorded as a highly dynamic, stationary reaction to a pulse from the laser unit 12 and a subsequent sampling of a plurality of received values at a (very small) time interval by the camera. Unit, spectrally differentiated, could be recorded. In FIG. 2 where the vertical axis indicates the signal amplitude A of a respective (through filters is set) in accordance with the spectral output of the Sensorein standardized, while extending the time axis t in the horizontal direction. Different spectral lines for neighboring measuring points are plotted into the image plane.

Aus der Darstellung der Fig. 2 zeigt sich, dass - charak teristisch für gewisse Oberflächeneigenschaften, etwa ein gelagerte Atome, Defektstellen od. dgl. - die Abkühlkurven spektral unterschiedliche Verläufe bzw. Extremwerte auf weisen, die auf jeweilige Oberflächeneigenschaften signi fikant und einfach detektierbar hinweisen. Durch entspre chende elektronische Auswertung der Einzelsignale bzw. Einzelsignalverläufe und der spektralen Abgrenzung zwischen diesen ist es daher möglich, zuverlässig auf derartige Oberflächenerscheinungen zu prüfen bzw. diese Überprüfung - bei kontinuierlichem, gepulstem Betrieb und entsprechend kontinuierlicher, getakteter Abtastung - die kontinuierliche, laufende Qualität an der Oberfläche zu überwachen.From the illustration in FIG. 2 it can be seen that - characteristic of certain surface properties, for example a stored atom, defect sites or the like - the cooling curves have spectrally different courses or extreme values which indicate the respective surface properties in a significant and easily detectable manner . By appropriate electronic evaluation of the individual signals or individual signal curves and the spectral delimitation between them, it is therefore possible to reliably check for such surface phenomena or this check - with continuous, pulsed operation and corresponding continuous, clocked sampling - the continuous, ongoing quality to monitor the surface.

Aus den Kurvenverläufen, etwa der in Fig. 2 gezeigten Art, lassen sich dann Rückschlüsse auf Oberflächeneigenschaften schnell und zuverlässig ziehen. So würde etwa ein Haftungs fehler bei der Messung der Schichtdicke sich durch einen stark gedämpften Signalverlauf, insbesondere im Bereich des steil ansteigenden Bereichs, zeigen. Schichtdickenunter schiede auf einer zu messenden Oberfläche zeigen sich etwa durch unterschiedlich hohe, durchschnittliche Amplituden verläufe entlang von parallel gemessenen Kurven benachbar ter Messpunkte. Entsprechendes gilt zudem für die Messung der Schichtdicke.Conclusions about surface properties can then be drawn quickly and reliably from the curves, for example of the type shown in FIG. 2. For example, a liability error in the measurement of the layer thickness would show up as a strongly damped signal curve, in particular in the region of the steeply rising region. Differences in layer thickness on a surface to be measured can be seen, for example, from the different average amplitude curves along parallel measured curves of neighboring measuring points. The same also applies to the measurement of the layer thickness.

Gegen entsprechendes Abtasten benachbarter Probenbereiche lassen sich selbst grosse Flächen in vergleichsweise kurzer Zeit zuverlässig messen, da, durch die hohe Abtastfrequenz, die Impulsdauer im Mikrosekundenbereich eingestellt sein kann. In der vorgeschriebenen Weise lassen sich somit zahl reiche Beschichtungs-, Material-, Feuchtigkeits- bzw. Kor rosionsfeststellungen und -messungen reaktionsschnell, preisgünstig und prozesstauglich durchführen.Against appropriate scanning of adjacent sample areas even large areas can be comparatively short Measure time reliably because of the high sampling frequency the pulse duration must be set in the microsecond range can. In the prescribed manner, you can therefore pay rich coating, material, moisture or cor rosion determinations and measurements responsive, perform inexpensive and suitable for the process.

Ein kontinuierlicher Messvorgang ist schematisch in Fig. 3 verdeutlicht: Während die oberen, kürzeren Impulse das Sendesignal (aufgetragen über eine Mehrzahl der höherfre quenten Taktimpulse) angibt, verdeutlicht der untere Balken der Fig. 3 die längere Abtastperiode, die, erkennbar, schon kurz vor dem Ende des Strahlungsimpulses beginnt (und damit in diesem Zeitraum statt eines emittierten, einen reflek tierten Wert aufnimmt).A continuous measurement process is schematically illustrated in FIG. 3: While the upper, shorter pulses indicate the transmission signal (plotted over a plurality of the higher-frequency clock pulses), the lower bar of FIG. 3 illustrates the longer sampling period, which, as can be seen, was given just before the end of the radiation pulse begins (and thus takes on a reflected value instead of an emitted value).

Die Darstellung in Fig. 4 entspricht der Anordnung der Fig. 3, bis auf das Einsetzen eines zusätzlichen, mittleren Ver laufs, der einem Filtereinsatz entspricht. Es zeigt sich, dass dieser die eigentliche Messperiode vollständig ein schließt.The representation in Fig. 4 corresponds to the arrangement of Fig. 3, except for the insertion of an additional, middle Ver run, which corresponds to a filter insert. It turns out that this completely includes the actual measurement period.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung der Erfin dung ist es zudem möglich, die erfindungsgemäße Oberflächen prüfung durchzuführen, indem eine ohnehin vorhandene Infra rot-Strahlungsquelle, etwa ein für Verschweißungszwecke eingesetzter Laser, die Messenergiequelle 12 ersetzt. So ist es etwa im Rahmen eines besonders ökonomischen, konti nuierlichen Systems bevorzugt, die Qualität einer mit einem solchen Schweißlaser (etwa CO₂-Laser) durchgeführte Schweißung zu überprüfen, indem die vom Objekt absorbierte, reflektierte und emittierte Energie des Laserimpulses am Schweißpunkt in der oben skizzierten Weise unmittelbar nach dem Schweißen erfasst und analytisch bearbeitet und ausge wertet wird. Durch entsprechende Auswertung dieses Tem peraturbildes ist es dann möglich, simultan und on-Line zuverlässige Werte über Qualität und Erfolg des durchge führten Schweißvorganges zu erhalten, ohne dass etwa eine gesonderte Prüfstation nachgeschaltet werden muss.According to a further preferred development of the invention, it is also possible to carry out the surface test according to the invention by replacing the infrared energy source 12 , which is already present with an infrared radiation source, for example a laser used for welding purposes. For example, in the context of a particularly economical, continuous system, it is preferred to check the quality of a weld carried out with such a welding laser (such as a CO ₂ laser) by the energy of the laser pulse absorbed, reflected and emitted by the object at the welding point in the the way outlined above is recorded immediately after welding and processed analytically and evaluated. By appropriately evaluating this temperature image, it is then possible to obtain simultaneous and on-line reliable values about the quality and success of the welding process carried out, without having to add a separate test station, for example.

Gemäss einer weiteren, günstigen Ausführungsform der vor liegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Oberflächen messung als portables Handmessgerät realisiert, welches, in einem geeigneten, manuell handhabbaren Gehäuse, einen Im pulsgeber, den Sensor und eine zugeordnete Auswerteelektro nik aufweist.According to a further, advantageous embodiment of the above lying invention is a device for surfaces measurement realized as a portable hand-held measuring device, which, in a suitable, manually manageable housing, an Im pulse generator, the sensor and an associated evaluation electronics nik has.

Im Ergebnis ermöglicht es damit die vorliegende Erfindung, in überraschend flexibler und leistungsfähiger Art durch Verbesserung von Methoden der Infrarot-Oberflächenmessung den Informationsgehalt deutlich zu erhöhen und die Nutzbar keit dieser Technologie gerade für kontinuierliche, lau fende Prozesse erstmals in flexibler und ökonomischer Art sicherzustellen. Unterstützt durch zunehmend leistungsfähi ger Rechner, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung für die Bildauswertung und Erzeugung der Auswertungen, etwa ge mäß Fig. 2, sorgen, ist damit ein Werkzeug für die verbes serte, nämlich effizientere und leistungsfähigere, Oberflä chenprüfung geschaffen.As a result, the present invention thus enables the information content to be significantly increased in a surprisingly flexible and powerful manner by improving methods of infrared surface measurement and to ensure the usability of this technology for continuous, running processes for the first time in a flexible and economical manner. Supported by increasingly powerful computers, which in the context of the present invention provide for the image evaluation and generation of the evaluations, for example according to FIG. 2, a tool for the improved, namely more efficient and powerful, surface inspection is thus created.

Claims

1. A method for the non-destructive, non-contact measurement of a material surface, in particular a welded, coated and / or composite material, with the steps:

Applying a modulated, in particular pulsed, energy, in particular infrared radiation to a predetermined surface area of the material surface,
- Non-contact, with respect to surface radiation or reflection properties of the area area compensated detection of area area reflected, absorbed and / or emitted radiation at least for a predetermined period after the end of a modulation of the infrared radiation and
- Computer-aided evaluation of a detected signal as a function of a time after the end of the modulation, a frequency and / or amplitude of the reflected and / or emitted radiation, and an area dimension of the area.

2. The method according to claim 1, characterized in that the step of contactless capturing the simultaneous Generate a plurality of electronically evaluable Individual values according to a respective sub-section intersection of the area and / or according to a respective spectral section of the area having.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that the step of contactless sensing the successive generation of a plurality of elec tronically evaluable historical values for a respective ges, selective element of a receiving sensor.

4. The method according to claim 3, characterized in that the majority of electronically evaluable history ten is generated with a sampling frequency, the peri ode small compared to a modulation period and / or egg ner period of the applied infrared radiation is.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the modulated infrared radiation is rectangular and in particular pulsed regularly and a pulse frequency in the range between 1 Hz and 1000 Hz.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the modulated infrared radiation with a radiation power in the range between 10 and 800 watts is applied to the area and / or a monochromatic spectral wavelength in Range between about 0.3 and about 14 microns points.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized ge indicates a sampling frequency of the touch loose detection in a range between 0.5 Hz and 18 kHz, in particular between 9 and 15 kHz is.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized draws through the step of measuring an absorpti on coefficients of the area preferably by Compare an Im captured by the area mission value with a reference value of a black one Body, which is further preferred in a receiving sensor for the reflected, absorbed and / or emitted Steel is provided.

9. The method according to claim 8, characterized by the Forming and evaluating an interference image of Emis tion value and reference value, preferably with a one Sampling frequency of the contactless radiation correspond subsequent period.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized ge indicates that the process as a continuous Continuous loading process, Er summarize and evaluate based on a preferred rela Surface area movable to a measuring device is trained.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized characterized that the step of contactless Detect the selective hiding of predetermined specs central areas of the reflected and / or emitted Radiation by means of spectrally effective filter devices gene.

12. The method according to claim 11, characterized by a A plurality of filter devices for a plurality of se selective, spectral ranges, which are calculated using a computer control activated continuously and periodically the.

13. Device for non-destructive, non-contact surface measurement of a material surface, in particular device for carrying out the method according to one of claims 1 to 12, with
an infrared radiation source ( 12 ), which can preferably be periodically modulated and operated before pulsed, and which is designed for the controlled application of infrared radiation to a predetermined area ( 22 ) of the material surface,
a detector unit ( 32 ) designed to detect radiation reflected and / or emitted by the surface area
and one of the detector unit downstream of evaluation and storage electronics, which is designed to evaluate a signal detected by the detector unit as a function of time, the amplitude and / or frequency and a geometry or surface dimension of the surface area ( 22 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized by a provided for generating an interference image of an emitted radiation signal detected by the detector unit with a reference image generated by means of a black body ( 26 ) correction unit, which has an absorption and / or emission value for the area for evaluation generated.

15. The apparatus of claim 13 or 14, characterized by an upstream of the detector unit, before given electronically controllable filter unit ( 36 ), which is designed to selectively hide predetermined spectral ranges from the reflected, absorbed and / or emitted radiation.

16. The device according to one of claims 13 to 15, characterized in that the radiation source is designed as a monochromatic light source, in particular by means of a laser ( 12 ).

17. The device according to one of claims 13 to 16, characterized characterized in that the detector unit prefers one a plurality of sensor elements arranged as an array points, which is preferred for outputting simultaneous acquisition solution signals can be controlled in parallel.

18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the sensor elements are based on lead-zinc-Se lenit elements and / or Si elements realized and in spectral range between 0.3 and 14 micrometers sen are sitiv.

19. Device according to one of claims 13 to 18, characterized marked, by a coolant-operated cooling unit ( 34 ) assigned to the detector unit.

20. Device according to one of claims 13 to 19, characterized characterized in that the radiation source is one in one upstream processing of the material surface che used heat or radiation source, in particular which is a welding laser.

21. Use of the device according to one of claims 13 to 20 for the determination of surface properties and / or material parameters resulting from the following Group selected: control of liability of a Be Layering, detection of defects and errors in one Surface and / or inside a component, Erken development of solution phenomena between layers, hard position of the orientation of embedded fibers or Crystals in a surface, measurement of a layer strength, measurement of wear and tear measurements, detection of material inhomogeneities, recognition of cavities, measurement of moisture content, mes solution of thermal and thermal conductivity, detection of impurities on and in the surface, orken NEN and measurement of oxide fractions.